CN101257056B - 柔性衬底硅基薄膜太阳电池 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性衬底硅基薄膜太阳电池，包括衬底S为不透明和透明柔性材料，且太阳电池的结构为P型硅基薄膜/I型硅基薄膜/N型硅基薄膜，所述P型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅碳或微晶硅氧，也可为纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧，I型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅锗或纳米硅、纳米硅锗，N型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅碳或微晶硅氧，也可为纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧。本发明利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，将目前应用于玻璃衬底上比较成熟的P/I/N电池技术合理转移到柔性衬底上，较容易实现工艺的转移。

Description

柔性衬底硅基薄膜太阳电池
【技术领域】
本发明涉及薄膜太阳电池领域，尤其是一种柔性衬底硅基薄膜太阳电池。
【背景技术】
随着人类社会的高速发展，对能源的需求也日益加剧。化石燃料和工业革命的结合创造了人类历史上辉煌的现在文明，但同时也造成了当代人类发展所面临的能源危机与环境污染。太阳能取之不尽、用之不竭，因而光伏发电倍受人们瞩目。实践证明，大规模应用太阳电池的一个关键，就是大幅度的降低成本，发展薄膜太阳电池是降低成本的一个有效途径。
另外，随着太阳电池应用发展，人们在研究开发高效率低成本太阳电池的同时，越来越注重提高电池的柔性可展开和质量比功率。这是因为，刚性的太阳电池质量比功率大，且其几何形状不易改变，在一定程度上限制了其大范围的应用。而柔性衬底太阳电池可以采用塑料等廉价衬底，降低成本的潜力很大；同时，柔性衬底太阳电池还具有重量轻、柔软可卷曲、不怕碰撞等特点。
由于柔性衬底太阳电池可以任意弯曲，即使弯曲成很小的半径，电池性能也不会发生变化，可以把柔性太阳电池贴在几乎任意弯曲的表面上，例如，将柔性太阳电池沿建筑物表面进行固定，这样既可以美化建筑物，又保证了太阳能最大利用率，最大限度的为建筑物和市电提供电能。如果把柔性太阳电池粘贴到汽车表面，既可以保证美观大方的外表，又可以最大限度为汽车提供能源。
总之，柔性衬底太阳电池在能源、环境、航空航天、国防、光伏建筑一体化、便携式光伏产品等方面具有广泛的应用前景。因此，高效柔性衬底太阳电池的获得具有很重要的意义。
太阳电池结构的核心部分一般为掺杂层P、本征层I和掺杂层N。现有的产业化成熟的硅基薄膜太阳电池，基本上为透明玻璃衬底，而且考虑到非晶硅薄膜太阳电池和非晶硅锗薄膜太阳电池中，空穴的迁移率要比电子的迁移率低将近2个数量级，因此要求太阳光必须从电池的P型层入射，玻璃衬底上要求的太阳电池结构为P/I/N。
现有的不透明柔性衬底太阳电池的结构如图1所示，柔性衬底例如不锈钢或塑料衬底(聚酰亚胺)均为不透明材料，为了让光从P层入射，电池的结构需要为N/I/P，这样较为成熟技术的玻璃衬底上要求的太阳电池结构(P/I/N)所对应的条件将不能很好的转移到制备不透明柔性衬底太阳电池的工艺中。
【发明内容】
本发明目的旨在为克服现有技术的不足，而提供一种柔性衬底硅基薄膜太阳电池，该太阳电池以柔性材料为衬底，采用微晶硅基或纳米硅基薄膜，且太阳电池的结构为P/I/N，能够实现成熟工艺的合理转移。
本发明为实现上述目的，设计了一种柔性衬底硅基薄膜太阳电池，包括衬底S、金属M、透明导电薄膜T1、P型硅基薄膜、I型硅基薄膜、N型硅基薄膜和透明导电薄膜T2，所述柔性衬底硅基薄膜太阳电池的结构为P型硅基薄膜/I型硅基薄膜/N型硅基薄膜，所述P型硅基薄膜、I型硅基薄膜和N型硅基薄膜皆采用微晶硅基或纳米硅基薄膜，其中，P型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅碳、微晶硅氧、纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧，I型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅锗、纳米硅或纳米硅锗，N型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅碳、微晶硅氧、纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧。
其中，柔性衬底为不锈钢、塑料；金属M为Al或Ag；透明导电薄膜T1为ZnO，SnO2和ITO；P型硅基薄膜为硼掺杂P型硅基薄膜；N型硅基薄膜为磷掺杂N型硅基薄膜；透明导电薄膜T2为ITO或ZnO/ITO；柔性衬底硅薄膜太阳电池的结构还包括在P/I和I/N界面间引入缓冲层B，该缓冲层B厚度为0～500nm。
所述柔性衬底硅基薄膜太阳电池的制备，为分室沉积P、I、N各层或者单室沉积。
本发明有益效果是：本发明采用微晶硅基或纳米硅基薄膜，利用微晶硅基薄膜或纳米硅基材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，将目前应用于玻璃衬底上比较成熟的P/I/N太阳电池制备技术合理转移到不透明柔性衬底太阳电池上，较容易实现工艺的转移，且本发明的柔性衬底硅基薄膜太阳电池结构为P/I/N，不同于现有技术中的柔性衬底所需要的N/I/P结构，避免了在现有技术结构上为了获得高效率电池而需要重新优化P、I、N各层的沉积条件。
【附图说明】
图1为现有柔性衬底太阳电池的结构示意图。
图2为本发明柔性衬底硅基薄膜太阳电池的结构示意图。
【具体实施方式】
下面结合附图和具体实施例对本发明所述的技术方案进行详细的说明。
本发明柔性衬底硅基薄膜太阳电池，利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率几乎相等的特性，采用微晶硅基或纳米硅基薄膜，该太阳电池的结构P/I/N，不同于现有技术中的柔性衬底所必需使用的N/I/P太阳电池结构。
请参考图2所示，本发明柔性衬底硅基薄膜太阳电池，包括柔性衬底S、金属M、透明导电薄膜T1、P型硅基薄膜、I型硅基薄膜、N型硅基薄膜和透明导电薄膜T2。
在本发明中，柔性衬底S可采用不锈钢、塑料等柔性材料；金属M可采用Al或Ag；透明导电薄膜T1可采用ZnO，SnO2和ITO；透明导电薄膜T2可采用ITO和ZnO/ITO。
在本发明中，柔性衬底硅薄膜太阳电池的结构还包括在P/I和I/N界面间引入缓冲层B，该缓冲层B厚度为0～500nm。
在本发明中，硅基薄膜太阳电池的结构为P/I/N，即P型硅基薄膜/I型硅基薄膜/N型硅基薄膜，P型硅基薄膜、I型硅基薄膜和N型硅基薄膜皆采用微晶硅基或纳米硅基薄膜，其中，P型硅基薄膜为硼掺杂P型硅基薄膜，采用微晶硅、微晶硅碳或微晶硅氧，也可为纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧、非晶硅、非晶硅碳或非晶硅氧。I型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅锗或纳米硅、纳米硅锗，N型硅基薄膜为磷掺杂N型硅基薄膜，采用微晶硅、微晶硅碳或微晶硅氧，也可为纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧。
本发明柔性衬底硅基薄膜太阳电池，采用等离子体增强化学气相沉积(PECVD)、热丝化学气相沉积、甚高频等离子体增强化学气相沉积等沉积方法制备，下面以采用PECVD方法为例，具体制备工艺为：
1、将衬底S放入PECVD沉积系统中，本底真空高于10-4托；
衬底S为柔性材料，可采用不锈钢、塑料等；
2、控制反应沉积参数，在衬底S依次沉积金属M、透明导电薄膜T1、P型硅基薄膜、I型硅基薄膜、N型硅基薄膜和透明导电薄膜T2；
采用反应气为：硅烷、氢气、硼烷、三甲基硼、甲烷、磷烷、二氧化碳等气体，制备的反应沉积参数如下：
反应气体压强0.1托以上；
辉光功率密度：10-1000毫瓦/平方厘米；
衬底表面温度：80-300℃；
氢稀释硅烷浓度SC＝([SiH4]/([SiH4]+[H2]))＜10％；
辉光激励频率：13.56MHz-100MHz；
含磷气体与硅烷之比(磷掺杂剂浓度)：PS≤2％。
含硼气体与硅烷之比(硼掺杂剂浓度)：BS≤2％。
本发明具有P/I/N结构的柔性衬底硅基薄膜太阳电池制备方法与以透明玻璃为衬底制备P/I/N硅基薄膜太阳电池的方法类似，故在此不再赘述。
综上所述，本发明利用微晶硅基或纳米硅基薄膜材料电子和空穴迁移率具有相同数量级的特性，将目前应用于透明玻璃衬底上比较成熟的P/I/N电池制备技术合理转移到不透明柔性衬底上，提出了一种不同于现有柔性衬底太阳电池结构(N/I/P)的一种新型柔性衬底的硅基薄膜太阳电池。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。

Claims (9)

1.一种柔性衬底硅基薄膜太阳电池，包括衬底S、金属M、透明导电薄膜T1、P型硅基薄膜、I型本征硅基薄膜、N型硅基薄膜和透明导电薄膜T2，其特征在于：所述硅基薄膜太阳电池以柔性材料为衬底，且该硅基薄膜太阳电池的结构为P型硅基薄膜/I型硅基薄膜/N型硅基薄膜，所述P型硅基薄膜、I型硅基薄膜和N型硅基薄膜皆采用微晶硅基或纳米硅基薄膜，其中，P型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅碳、微晶硅氧、纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧，I型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅锗、纳米硅或纳米硅锗，N型硅基薄膜采用微晶硅、微晶硅碳、微晶硅氧、纳米硅、纳米硅碳或纳米硅氧。
2.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述柔性衬底为不锈钢或塑料。
3.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述金属M为Al或Ag。
4.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述透明导电薄膜T1为ZnO、SnO2或ITO。
5.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述P型硅基薄膜为硼掺杂P型硅基薄膜。
6.根据权利要求1所述的柔性衬底微晶硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述N型硅基薄膜为磷掺杂N型硅基薄膜。
7.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述透明导电薄膜T2为ITO或ZnO/ITO。
8.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述的柔性衬底硅薄膜太阳电池的结构还包括在P/I和I/N界面间引入缓冲层B，该缓冲层B厚度为0～500nm。
9.根据权利要求1所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池，其特征在于：所述的柔性衬底硅基薄膜太阳电池的制备为分室沉积P、I、N各层或者单室沉积。
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